Agora você quer saber como cuidar de sua preciosa nova compra: como carregar melhor as baterias de ferro-lítio, como descarregá-las e como aproveitar ao máximo a vida útil de suas baterias de íon-lítio. Este artigo explicará o que fazer e o que não fazer. Preços de baterias de íon de lítio está mudando lentamente de obscenamente caro para apenas moderadamente inacessível, e nós da BSLBATT estamos vendo um aumento constante nas vendas desse tipo de bateria. A maioria dos usuários parece colocá-los para trabalhar em trailers, quintas rodas, campistas e veículos similares, enquanto alguns estão entrando em sistemas estacionários fora da rede. Este artigo falará sobre uma categoria específica de baterias de íon de lítio; Lítio-Ferro-Fosfato ou LiFePO4 em sua fórmula química, também abreviado como baterias LFP. Elas são um pouco diferentes das que você tem em seu celular e laptop, são (em sua maioria) baterias de lítio-cobalto. A vantagem do LFP é que ele é muito mais estável e não é propenso à autocombustão. Isso não significa que a bateria não possa entrar em combustão em caso de danos: Há muita energia armazenada numa bateria carregada e no caso de uma descarga não planeada os resultados podem tornar-se muito interessantes muito rapidamente! O LFP também dura mais em comparação ao lítio-cobalto e é mais estável em termos de temperatura. De todas as várias tecnologias de bateria de lítio disponíveis, isso torna o LFP o mais adequado para aplicações de ciclo profundo! Assumiremos que a bateria possui um BMS ou Sistema de gerenciamento de bateria, como fazem quase todas as baterias LFP vendidas como pacotes de 12/24/48 Volts. O BMS cuida da proteção da bateria; ele desconecta a bateria quando ela está descarregada ou ameaça ficar sobrecarregada. O BMS também se encarrega de limitar as correntes de carga e descarga, monitora a temperatura das células (e reduz a carga/descarga, se necessário), e a maioria irá equilibrar as células cada vez que uma carga completa for feita (pense no equilíbrio como trazer todas as células para dentro do bateria para o mesmo estado de carga, semelhante à equalização de uma bateria de chumbo-ácido). A menos que você goste de viver no limite, NÃO COMPRE uma bateria sem BMS! O que se segue abaixo é o conhecimento adquirido a partir da leitura de um grande número de artigos da Web, páginas de blogs, publicações científicas e discussões com fabricantes de LFP. Cuidado com o que você acredita, há muita desinformação por aí! Embora o que escrevemos aqui não pretenda de forma alguma ser o guia definitivo para baterias LFP, nossa esperança é que este artigo elimine os excrementos bovinos e forneça diretrizes sólidas para aproveitar ao máximo suas baterias de íon de lítio.
Por que íon-lítio?Explicamos em nosso artigo sobre baterias de chumbo-ácido como o calcanhar de Aquiles dessa química permanece com carga parcial por muito tempo. É muito fácil roubar um caro banco de baterias de chumbo-ácido em poucos meses, deixando-o com carga parcial. Isso é muito diferente para LFP! Você pode deixar as baterias de íon de lítio permanecerem com carga parcial para sempre, sem danos. Na verdade, o LFP prefere permanecer com carga parcial em vez de estar completamente cheio ou vazio e, para maior longevidade, é melhor desligar e desligar a bateria ou deixá-la com carga parcial. Mas espere! Há mais! As baterias de íon de lítio são quase o Santo Graal das baterias: com os parâmetros de carga corretos, você quase pode esquecer que existe uma bateria. Não há manutenção. O BMS cuidará disso e você poderá pedalar com alegria! Mas espere! Ainda há mais! (Qualquer semelhança com certos infomerciais é mera coincidência e, francamente, nos ressentimos da sugestão!)… As baterias LFP também podem durar muito tempo. Nosso Baterias BSLBATT LFP são avaliados em 3.000 ciclos, com um ciclo completo de carga/descarga de 100%. Se você fizesse isso todos os dias, seriam mais de 8 anos de ciclismo! Eles duram ainda mais quando usados em ciclos inferiores a 100%; na verdade, para simplificar, você pode usar uma relação linear: ciclos de descarga de 50% significam o dobro dos ciclos, ciclos de descarga de 33% e você pode razoavelmente esperar três vezes mais ciclos. Mas espere! Ainda há mais!… Uma bateria LiFePO4 também pesa menos de 1/2 de uma bateria de chumbo-ácido de capacidade semelhante. Ele pode lidar com grandes correntes de carga (100% da classificação Ah não é problema, tente isso com ácido-chumbo!), permitindo um carregamento rápido, é selado para que não haja fumaça e tem uma taxa de autodescarga muito baixa ( 3% ao mês ou menos). Dimensionamento de banco de baterias para LFPSugerimos isso acima: as baterias de íon de lítio têm 100% de capacidade utilizável, enquanto as baterias de chumbo-ácido realmente terminam em 80%. Isso significa que você pode dimensionar um banco de baterias LFP menor do que um banco de chumbo-ácido e ainda assim ter a mesma funcionalidade. Os números sugerem que o LFP pode ter 80% do tamanho Amp-hora do chumbo-ácido. Porém, há mais nisso. Para maior longevidade, os bancos de baterias de chumbo-ácido não devem ser dimensionados onde regularmente apresentam descarga abaixo de 50% do SOC. Com o LFP isso não é problema! A eficiência energética de ida e volta para LFP também é um pouco melhor do que a do chumbo-ácido, o que significa que é necessária menos energia para encher o tanque após um certo nível de descarga. Isso resulta em uma recuperação mais rápida de volta a 100%, embora já tivéssemos um banco de baterias menor, reforçando ainda mais esse efeito. O resultado final é que nos sentiríamos confortáveis em dimensionar um banco de baterias de íons de lítio com 75% do tamanho de um banco de chumbo-ácido equivalente e esperar o mesmo (ou melhor!) desempenho. Inclusive naqueles dias escuros de inverno, quando o sol está escasso.
Mas espere um minuto!O íon de lítio é realmente a solução para todos os nossos problemas de bateria? Bem, não exatamente… As baterias LFP também têm suas limitações. Um grande problema é a temperatura: você não pode carregar uma bateria de íon de lítio abaixo de zero ou zero centígrados. O chumbo-ácido não está nem aí para isso. Você ainda pode descarregar a bateria (com perda temporária de capacidade), mas o carregamento não acontecerá. O BMS deve ter o cuidado de bloquear o carregamento em temperaturas congelantes, evitando danos acidentais. A temperatura também é um problema nos topos de gama. A maior causa do envelhecimento das baterias é o uso ou mesmo o armazenamento em altas temperaturas. Até cerca de 30 graus centígrados, não há problema. Mesmo 45 graus centígrados não incorre em uma penalidade muito grande. Qualquer coisa mais alta realmente acelera o envelhecimento e, em última análise, o fim da bateria. Isso inclui armazenar a bateria quando ela não estiver sendo ciclada. Falaremos sobre isso com mais detalhes posteriormente, quando discutirmos como as baterias LFP falham. Há um problema sorrateiro que pode surgir ao usar fontes de carregamento que potencialmente fornecem uma alta tensão: quando a bateria está cheia, a tensão aumentará, a menos que a fonte de carregamento pare de carregar. Se subir o suficiente o BMS irá proteger a bateria e desconectá-la, deixando a fonte de carga subir ainda mais! Isso pode ser um problema com reguladores de tensão do alternador do carro (ruins), que precisam sempre ver uma carga ou a tensão aumentará e os diodos liberarão sua fumaça mágica. Isto também pode ser um problema com pequenas turbinas eólicas que dependem da bateria para mantê-las sob controle. Eles podem fugir quando a bateria acabar. Depois, há aquele preço de compra inicial exorbitante! Mas apostamos que você ainda quer um!… Como funciona uma bateria LiFePO4?
Descarregar a bateria faz a mesma coisa ao contrário: à medida que os elétrons fluem através do eletrodo negativo, os íons de lítio mais uma vez se movem, através da membrana, de volta à rede de fosfato de ferro. Eles são novamente armazenados no lado positivo até que a bateria seja carregada novamente. Se você realmente prestou atenção, agora entende que o desenho da bateria à direita mostra uma bateria LFP que está quase completamente descarregada. Quase todos os íons de lítio estão na lateral do eletrodo positivo. Uma bateria totalmente carregada teria todos esses íons de lítio armazenados dentro do carbono do eletrodo negativo. No mundo real, as células de íons de lítio são construídas com camadas muito finas de folhas alternadas de alumínio – polímero – cobre, com produtos químicos colados nelas. Freqüentemente, eles são enrolados como um rocambole e colocados em uma vasilha de aço, como uma bateria AA. As baterias de íon de lítio de 12 Volts que você compra são feitas de muitas dessas células, conectadas em série e paralelo para aumentar a tensão e a capacidade de Amp-hora. Cada célula tem cerca de 3,3 Volts, então 4 delas em série produzem 13,2 Volts. Essa é a voltagem certa para substituir uma bateria de chumbo-ácido de 12 Volts! Carregando uma bateria LFPA maioria dos controladores de carregamento solar regulares não tem problemas para carregar baterias de íons de lítio. As tensões necessárias são muito semelhantes às utilizadas para baterias AGM (um tipo de bateria selada de chumbo-ácido). O BMS também ajuda, garantindo que as células da bateria vejam a tensão correta, não fiquem sobrecarregadas ou descarregadas demais, equilibra as células e garante que a temperatura das células esteja dentro do razoável enquanto elas estão sendo carregadas. O gráfico abaixo mostra um perfil típico de uma bateria LiFePO4 sendo carregada. Para facilitar a leitura, as tensões foram convertidas para o que uma bateria LFP de 12 volts veria (4x a tensão de célula única).
O gráfico mostra uma taxa de carga de 0,5C, ou metade da capacidade de Ah, ou seja, para uma bateria de 100Ah, seria uma taxa de carga de 50 Amp. A tensão de carga (em vermelho) não mudará muito para taxas de carga mais altas ou mais baixas (em azul). As baterias LFP têm uma curva de tensão muito plana. As baterias de íons de lítio são carregadas em dois estágios: primeiro, a corrente é mantida constante, ou com energia solar fotovoltaica, o que geralmente significa que tentamos enviar para as baterias tanta corrente quanto a disponível do sol. A Tensão aumentará lentamente durante este tempo, até atingir a Tensão de 'absorção', 14,6V no gráfico acima. Uma vez atingida a absorção, a bateria está cerca de 90% cheia e, para preencher o resto do caminho, a tensão é mantida constante enquanto a corrente diminui lentamente. Quando a corrente cai para cerca de 5% - 10% da classificação Ah da bateria, ela está com 100% de estado de carga. Em muitos aspectos, uma bateria de íons de lítio é mais fácil de carregar do que uma bateria de chumbo-ácido: desde que a tensão de carga seja alta o suficiente para mover os íons, ela carrega. As baterias de íon de lítio não se importam se não estiverem totalmente carregadas; na verdade, elas duram mais se não estiverem. Não há sulfatação, não há equalização, o tempo de absorção realmente não importa, você não pode sobrecarregar a bateria e o BMS se encarrega de manter as coisas dentro de limites razoáveis. Então, qual voltagem é suficiente para fazer esses íons se moverem? Algumas experiências mostram que 13,6 Volts (3,4 V por célula) é o ponto de corte; abaixo disso acontece muito pouco, enquanto acima disso a bateria ficará pelo menos 95% cheia com tempo suficiente. A 14,0 Volts (3,5 V por célula), a bateria carrega facilmente até 95+ por cento com algumas horas de tempo de absorção e, para todos os efeitos, há pouca diferença no carregamento entre tensões de 14,0 ou superiores, as coisas simplesmente acontecem um pouco mais rápido em 14,2 Volt e acima. Tensão em massa/absorção Para resumir isso, uma configuração de volume/absorção entre 14,2 e 14,6 Volts funcionará muito bem para LiFePO4! Baixar também é possível, até cerca de 14,0 Volts, com a ajuda de algum tempo de absorção. São possíveis tensões ligeiramente mais altas, o BMS para a maioria das baterias permitirá cerca de 14,8 – 15,0 Volts antes de desconectar a bateria. Porém, não há benefício em uma tensão mais alta e há mais risco de ser cortado pelo BMS e possivelmente de danos. Tensão flutuante As baterias LFP não precisam flutuar. Os controladores de carga têm isso porque as baterias de chumbo-ácido têm uma taxa de autodescarga tão alta que faz sentido continuar adicionando mais carga para mantê-las felizes. Para baterias de íon de lítio, não é ótimo se a bateria permanecer constantemente em um estado de carga alto; portanto, se o seu controlador de carregamento não puder desativar a flutuação, basta configurá-lo para uma tensão baixa o suficiente para que nenhum carregamento real aconteça. Qualquer tensão de 13,6 Volts ou menos serve. Equalizar Tensão Com tensões de carga acima de 14,6 Volts ativamente desencorajadas, deve ficar claro que nenhuma equalização deve ser feita em uma bateria de íons de lítio! Se a equalização não puder ser desativada, configure-a para 14,6 V ou menos, para que se torne apenas um ciclo de carga de absorção regular. Absorver Tempo Há muito a ser dito sobre simplesmente definir a tensão de absorção para 14,4 V ou 14,6 V e, em seguida, parar de carregar quando a bateria atingir essa tensão! Resumindo, tempo de absorção zero (ou curto). Nesse ponto, sua bateria estará cerca de 90% cheia. As baterias LiFePO4 ficarão mais felizes no longo prazo quando não permanecerem em 100% SOC por muito tempo, portanto, essa prática prolongará a vida útil da bateria. Se você realmente precisa ter 100% SOC em sua bateria, o absorb fará isso! Oficialmente, isso é alcançado quando a corrente de carga cai para 5% – 10% da classificação Ah da bateria, ou seja, 5 – 10 Amp para uma bateria de 100Ah. Se você não conseguir parar de absorver com base na corrente, defina o tempo de absorção para cerca de 2 horas e encerre o dia. Compensação de temperatura As baterias LiFePO4 não precisam de compensação de temperatura! Desligue isso em seu controlador de carregamento, ou a tensão de carga será totalmente desligada quando estiver muito quente ou frio. Certifique-se de verificar as configurações de tensão do controlador de carregamento em relação às realmente medidas com um multímetro digital de boa qualidade! Pequenas mudanças na tensão podem ter um grande impacto ao carregar uma bateria de íons de lítio! Altere as configurações de carga de acordo! Descarregando uma bateria LFPAo contrário das baterias de chumbo-ácido, a tensão de uma bateria de iões de lítio permanece muito constante durante a descarga. Isso torna difícil adivinhar o estado de carga apenas a partir da tensão. Para uma bateria com carga moderada, a curva de descarga é a seguinte.
Na maioria das vezes durante a descarga, a tensão da bateria estará em torno de 13,2 Volts. Varia em apenas 0,2 Volts, de 99% a 30% SOC. Não muito tempo atrás, era uma péssima ideia™ ir abaixo de 20% SOC para uma bateria LiFePO4. Isso mudou, e a atual safra de baterias LFP irá descarregar alegremente até 0% por muitos ciclos. No entanto, há um benefício em pedalar menos profundamente. Não é apenas que pedalar para 30% SOC proporcionará 1/3 a mais de ciclo em comparação com pedalar até 0%, sua bateria provavelmente durará mais ciclos do que isso. Números concretos são, bem, difíceis de obter, mas diminuir para 50% do SOC parece mostrar cerca de 3x a vida do ciclo em comparação com o ciclo de 100%. Abaixo está uma tabela que mostra a tensão da bateria para uma bateria de 12 Volts versus a profundidade de descarga. Considere esses valores de tensão com cautela, a curva de descarga é tão plana que é realmente difícil determinar o SOC apenas a partir da tensão. Pequenas variações na carga e na precisão do voltímetro prejudicarão a medição. Armazenamento de baterias de íon de lítioA taxa de autodescarga muito baixa facilita o armazenamento de baterias LFP, mesmo por períodos mais longos. Não há problema em guardar uma bateria de íon de lítio por um ano, apenas certifique-se de que haja alguma carga nela antes de armazená-la. Algo entre 50% - 70% está bom, o que dará à bateria muito tempo antes que a autodescarga leve a tensão perto do ponto de perigo. Armazenar baterias abaixo de zero é bom, elas não congelam e não se importam muito com a temperatura. Tente evitar armazená-los em altas temperaturas (45 graus centígrados e acima) e evite armazená-los completamente cheios, se possível (ou quase vazios). Se você precisar armazenar baterias por períodos mais longos, simplesmente desconecte todos os fios delas. Dessa forma, não pode haver cargas perdidas que descarreguem lentamente as baterias. O fim das suas baterias de íon de lítioNós ouvimos você suspirar de horror; a ideia de seu precioso banco de baterias LFP não causar mais arrepios na espinha! Infelizmente, todas as coisas boas eventualmente têm um fim. O que queremos evitar é um fim prematuro e, para isso, temos de compreender como morrem as baterias de iões de lítio. Os fabricantes de baterias consideram uma bateria “descarregada” quando sua capacidade cai para 80% do que deveria ser. Portanto, para uma bateria de 100Ah, o seu fim chega quando sua capacidade cai para 80Ah. Existem dois mecanismos em ação para o fim da bateria: ciclismo e envelhecimento. Cada vez que você descarrega e recarrega a bateria, ela causa alguns danos e você perde um pouco de capacidade. Mas mesmo que você coloque sua preciosa bateria em um lindo santuário envidraçado, para nunca mais ser pedalado, ela ainda assim chegará ao fim. Esse último é chamado de vida no calendário. É difícil encontrar dados concretos sobre a vida útil das baterias LiFePO4, pois há muito pouco por aí. Alguns estudos científicos foram realizados sobre o efeito dos extremos (de temperatura e SOC) na vida do calendário, e isso ajuda a estabelecer limites. O que concluímos é que se você não abusar do seu banco de baterias, evitar extremos e geralmente apenas usar as baterias dentro de limites razoáveis, há um limite máximo de cerca de 20 anos de vida útil. Além das células dentro da bateria, existe também o BMS, que é feito de peças eletrônicas. Quando o BMS falha, a bateria também falha. As baterias de íons de lítio com BMS integrado ainda são muito novas, e teremos que ver, mas, em última análise, o sistema de gerenciamento de bateria terá que sobreviver tanto quanto as células de íons de lítio sobreviverem. Os processos dentro da bateria conspiram ao longo do tempo para revestir a camada limite entre os eletrodos e os eletrólitos com compostos químicos que impedem que os íons de lítio entrem e saiam dos eletrodos. Os processos também ligam íons de lítio em novos compostos químicos, de modo que eles não estão mais disponíveis para passar de eletrodo em eletrodo. Esses processos acontecerão não importa o que façamos, mas dependem muito da temperatura! Mantenha suas baterias abaixo de 30 graus centígrados e elas serão muito lentas. Ultrapasse os 45 graus centígrados e as coisas aceleram consideravelmente! Inimigo público nº. 1 para baterias de íon de lítio, de longe, é calor! A vida útil do calendário envolve mais coisas e a rapidez com que uma bateria LiFePO4 envelhece: o estado de carga também tem algo a ver com isso. Embora altas temperaturas sejam ruins, essas baterias realmente não gostam de ficar em 0% SOC e em temperaturas muito altas! Também ruim, embora não tão ruim quanto 0% SOC, é que eles fiquem com 100% SOC e altas temperaturas. Temperaturas muito baixas têm menos efeito. Conforme discutimos, você não pode (e o BMS não permitirá) carregar baterias LFP abaixo de zero. Acontece que descarregá-los abaixo de zero, embora possível, também tem um efeito acelerado no envelhecimento. Nem de longe é tão ruim quanto deixar a bateria em alta temperatura, mas se você for submetê-la a temperaturas congelantes, é melhor fazê-lo enquanto ela não estiver carregando nem descarregando e com um pouco de gasolina no tanque (embora não um tanque cheio). De um modo mais geral, é melhor guardar estas baterias com cerca de 50% – 60% SOC se necessitarem de armazenamento a longo prazo. Bateria derretidaSe você realmente quer saber, o que acontece quando uma bateria de íon de lítio é carregada abaixo de zero é que o lítio metálico se deposita no eletrodo negativo (carbono). Também não de uma maneira agradável, ele cresce em estruturas afiadas, semelhantes a agulhas, que eventualmente perfuram a membrana e causam curto-circuito na bateria (levando a um espetacular Evento de Desmontagem Rápida Não Programada, como a NASA o chama, envolvendo fumaça, calor extremo e, muito possivelmente, chamas também). Para nossa sorte, isso é algo que o BMS impede que aconteça. Estamos avançando para o ciclo da vida. Tornou-se comum obter milhares de ciclos, mesmo com um ciclo completo de carga-descarga de 100%, com baterias de íon-lítio. Existem algumas coisas que você pode fazer para maximizar a vida útil do ciclo. Conversamos sobre como bateria de fosfato de ferro-lítio trabalho: Eles movem íons de lítio entre os eletrodos. É importante compreender que estas são partículas físicas reais, que têm um tamanho próprio. Eles são arrancados de um eletrodo e enfiados no outro, cada vez que você carrega e descarrega a bateria. Isto provoca danos, especialmente no carbono do eléctrodo negativo. Cada vez que a bateria é carregada, o eletrodo incha um pouco e, a cada descarga, ele fica mais fino novamente. Com o tempo, isso causa rachaduras microscópicas. É por isso que carregar um pouco abaixo de 100% lhe dará mais ciclos, assim como descarregar um pouco acima de 0%. Além disso, pense nesses íons como exercendo “pressão”, e números extremos do estado de carga exercem mais pressão, causando reações químicas que não beneficiam a bateria. É por isso que as baterias LFP não gostam de ser guardadas com 100% SOC ou colocadas em carga flutuante a (quase) 100%. A rapidez com que esses íons de lítio são puxados para cá e para lá também afeta o ciclo de vida. À luz do que foi dito acima, isso não deveria ser surpresa. Enquanto bateria de fosfato de ferro-lítio carregará e descarregará rotineiramente a 1C (ou seja, 100 Amp para uma bateria de 100Ah), você verá mais ciclos de sua bateria se limitar isso a valores mais razoáveis. As baterias de chumbo-ácido têm um limite de cerca de 20% da classificação Ah, e permanecer dentro desse limite para íons de lítio também trará benefícios para maior vida útil da bateria. O último fator que vale a pena mencionar é a tensão, embora seja isso que o BMS foi projetado para manter sob controle. As baterias de íon de lítio têm uma janela de tensão estreita, tanto para carga quanto para descarga. Sair dessa janela muito rapidamente resulta em danos permanentes e, no final das contas, em um possível evento RUD (conversa da NASA, como mencionado antes). Para bateria de fosfato de ferro-lítio essa janela é de cerca de 8,0 V (2,0 V por célula) a 16,8 Volts (4,2 V por célula). O BMS integrado deve ter o cuidado de manter a bateria dentro desses limites. Aulas para levar para casaAgora que sabemos como funcionam as baterias de íon-lítio, o que elas gostam e o que não gostam e como acabam falhando, há algumas dicas a serem tiradas. Fizemos uma pequena lista abaixo. Se você não quiser fazer mais nada, observe os dois primeiros, pois eles têm, de longe, o maior efeito no tempo total que você terá para aproveitar sua bateria de íons de lítio! Prestar atenção aos outros também ajudará a fazer com que a bateria dure ainda mais. Resumindo, para uma vida útil longa e feliz da bateria LFP, em ordem de importância, você deve estar atento ao seguinte: ● Mantenha a temperatura da bateria abaixo de 45 graus Celsius (abaixo de 30°C, se possível) – Isto é de longe o mais importante!! É isso! Agora você também pode encontrar felicidade e uma vida plena com suas baterias LiFePO4! |
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